CC BY
27
т
АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ
Литвин Семен Анатольевич,
доцент, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, [email protected]
Мохов Георгий Михайлович,
аспирант, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, [email protected]
Люкина Елена Валерьевна,
аспирант, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, [email protected]
Борисов Андрей Александрович,
аспирант, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: искусственная акустическая обстановка в неприспособленном объеме, неискажающее регулирование параметров, комплексное представление сигнала, аналитическая огибающая, мгновенная фаза и временные задержки, ортогональный сигнал, оконная функция Наттолла, алгоритм безынерционного регулирования.
Целью статьи является изложение методов создания искусственной акустической обстановки в неприспособленном объеме (салон автомобиля, жилая комната и т.д.). Показывается как формируется поле мнимых источников звука, представляющих собой имитацию реверберационных сигналов или виртуальных источников при наличии большого количества излучателей звука, а в идеале непрерывной звучащей поверхности. Реализация подобных видов обработки сигнала стала возможной с развитием микропроцессорной техники и разработкой алгоритмов неискажа-ющего регулирования амплитудных, фазовых и временных параметров звукового сигнала. Установлено, что поканальное регулирование вызывает определенные затруднения в части регулирования фазы широкополосного звукового сигнала и его амплитуды без потери динамического диапазона, причем со скоростью регулирования приближенной к скорости следования звуковых объектов в структуре сигнала. Преодолеть эти трудности позволяет комплексное представление звукового сигнала и его регулирование по аналитической огибающей. Показано, что свести ошибку формирования ортогонального сигнала до 10-5 позволяет использование оконной функции Наттолла с минимальным уровнем боковых лепестков. Приводится алгоритм безынерционного регулирования, огибающей, фазы, временной задержки многочисленных субполосных сигналов. Основными стадиями выполнения алгоритма являются: аналого-цифровое преобразование сигнала; предварительная буферизация сигнала для определения пикового значения, среднего значения, пик фактора - для формирования сигнала управления; наложение оконной функции и БПФ преобразование с разделением на субполосные сигналы; формирование ортогонального входному сопряжённого по Гильберту сигнала; наложение оконной функции компенсирующей неравномерность коэффициента передачи; формирование огибающей и мгновенной фазы сигнала; деление огибающей на НЧ- и ВЧ- огибающие; регулирование НЧ- огибающей сигнала и пропорциональное изменение ВЧ огибающей; восстановление общей огибающей; восстановление отрегулированного сигнала умножением огибающей на косинус мгновенной фазы; введение фиксированной временной задержки и микширование субполосных сигналов; введение пространственных предыскажений; введение временной задержки определяемой имитируемым помещением, комплексное представление для коррекции фазы и ограничение неискажающим пиковым ограничителем перед цифроаналоговым преобразованием. Установлено, что использование нескольких десятков излучателей для воспроизведения обработанных в соответствии с алгоритмом сигналов позволяет имитировать акустическую обстановку эталонного зала.
Для цитирования:
Литвин С.А., Мохов Г.М., Люкина Е.В., Борисов А.А. Алгоритм формирования искусственной акустической обстановки // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Том 10. №11. С. 17-21.
For citation:
Litvin S.A., Mokhov G.M., Liukina E.V., Borisov A.A. Algorithm for the formation of artificial acoustic environment. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.11, рр. 17-21. (in Russian)
T-Comm Vol. 10. #11-2016
Т-Сотт Том 10. #11-2016
Реализация подобных видов обработки сигнала стала возможной с развитием микропроцессорной техники и разработкой алгоритмов не искажающего регулирования амплитудных, фазовых и временных параметров звукового сингала. Структурная схема алгоритма регулирования приведена на рис. 3.
Поканальное регулирования вызывает определенные затруднения в части регулирования фазы широкополосного звукового сигнала и его амплитуды без потери динамического диапазона, причем со скоростью регулирования приближенной к скорости следования звуковых объектов в структуре сигнала. Преодолеть эти трудности позволяет комплексное представление звукового сигнала и его регулирование по аналитической огибающей.
Коррекция производится путем обработки аналитической огибающей РС полученной с помощью БГТФ:
у/^ 1 V V, ^ /„л 2тк ■ ■ 2тк (П
= > -—-,5т ——)
N N N
где Х(к) - частотный коэффициент; N - длина выборки; п - текущий номер; Х{п) - отсчёт исходной дискретной последовательности; к — номер коэффициента.
Изменение знака перед мнимой частью при ОБПФ позволяет синтезировать ортогональный сигнал:
„, , хт,,,,, , 2тгпк . . 2тк ч п\
Х(пог/) = УХ(к)- (сое—--] мп ——) V)
Го N N
Теперь РС может быть представлен произведением двух функций - огибающей и косинуса фазы;
зд-40-о«МО-
т (4)
где 4/) = л/7г( 1)+г2(0>
Щ)
Свести ошибку формирования ортогонального сигнала до 10"5 позволяет использование оконной функции Наттолла с минимальным уровнем боковых лепестков, рис 4:
.... . (2-к-п) (6-1 п)
а0 = 0.355768, а, = 0.487396, а2 = 0.144232, а3 = 0.012604
(5)
1.0
та 0,в ч
£ о,б с
I <
0,2 0,0
1)1
10 30
Число отсчетов
50
-0,5 0,0 0,5
Доли частоты отсчетов
Рис. 4. Окно Наттолла и его частотная характеристика
Коэффициент регулирования можно представить как произведение К. =КЛ1-Кш■ Кл/ вычисляется но модифицированной р-характеристике:
Ц| + д)
И
а,Ф >0 .. (6)
а, * 0, и, <0
где а— отсчеты пропущенной через фильтр нижних частот огибающей сигнала, г - коэффициент, определяющий вели-
чину линейного участка г_
ехр
- номинальное
значение амплитуды сигнала, соответствующее нулевому уровню, с - константа, значения р/ определяются рекуррентным выражением „ - „ + ~Мч), п — количество
п
отсчетов на интервале интерполяции, к - номер текущей выборки,
ц =
Ч, +к
(7)
где тк, рк - максимальное значение и пик-фактор сигнала на выборке. тпорт, рЛорог - их пороговые значения, п,— коэффициенты, определяющие скорость изменения параметров. Умножение исходного сигнала на коэффициент КА, обеспечивает выравнивание относительной средней мощности (ОСМ) сигнала в соответствии с заданным значением р„орог. Общий вид характеристики регулирования времени приведен на рис. 5. Для того чтобы гарантировать отсутствие превышения уровня +1 дБ, введен дополнительный коэффициент К,, В случае необходимости обеспечения высоких значений ОСМ сигнала, Кц задается, как характеристика амплитудного ограничителя.
= ЬЛ +
Ьк =
Ад™
гшх
к1 >1й
(8)
тах(4' —ЧИ*"*" 1, тах[4 <1а„„
где ¿л,„ - максимально допустимое значение отсчета сигнала, п - количество отчетов на выборке, к - номер выборки, - отсчеты самокомпенсирующейся оконной функции. Амплитудная характеристика регулирования приведена на рис. 5.
Мао
о.б о.е
Рис. 5. Амплитудная характеристика регулирования
Т-Сотт Уо1.10. #11-2016
задержки и микширование субполосных сигналов; введение пространственных предыскажений; введение временной задержки определяемой имитируемым помещением, комплексное представление для коррекции фазы и ограничение неискажающим пиковым ограничителем перед цифроаналого вым преобразованием. Одновременно производится непрерывное формирование сигналов управления регулированием огибающей сигнала и его фазовых и временных характеристик. В основу алгоритма положен патент [6].
Таким образом, проведенное исследование показало, что формирование поля мнимых источников звука, представляющих собой имитацию реверберационных сигналов или виртуальных источников при наличии большого количества излучателей звука, стала возможной на основе предложенных алгоритмов неискажающегЬ регулирования амплитудных, фазовых и временных параметров звукового сигнала.
Формирование искусственной акустической обстановки с помощью предлагаемого алгоритма стало возможным с реализацией комплексного представления сигнала и практически безынерционного регулирования аналитической оги-
бающей, мгновенной фазы и временных задержек для каждого индивидуального сигнала.
Использование нескольких десятков излучателей для воспроизведения обработанных в соответствии с алгоритмом сигналов позволяет имитировать акустическую обстановку эталонного зала.
Литература
1. Ковалгин Ю.А.. Вологдин Э.И. Аудиотехника. Учебник для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2013. - 742 с,
2. Алдошина И.А., Приттс Р. Музыкальная акустика. - СПб.: Композитор - Санкт-Петербург, 2006. - 720 с,, с.451-557.
3. Рекомендации по проектированию концертных залов». Мое ком архитектура, 2004.
4. Баранов Ф. Журнал «Шоу-Мастер» (52) 2008.
5. Попов ОБ.. Рихтер С.Г. Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания. М.: Горячая линия - Телеком», 2012.
6. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Патент РФ № 2408976 «Способ автоматического регулирования пиковых значений монофонических вещательных сигналов па заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности и устройство для его реализации», опубл. ЬИ №1 10.01.2010.
ALGORITHM FOR THE FORMATION OF ARTIFICIAL ACOUSTIC ENVIRONMENT
Simon A. Litvin, Associate Professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, [email protected] Georgy M. Mokhov, a graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, [email protected] Elena V. Liukina, a graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, [email protected] Andrey A. Borisov, a graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The aim of the article is to describe methods of creating artificial acoustic environment unsuitable in volume (vehicle interior, living room, etc.). Showing how a field is imaginary sound sources, which are an imitation of the reverb signal or virtual source with a large-operation Audio Output sound emitters, and ideally continuous sounding surface. The implementation of these kinds of signal processing is made possible with the time of microprocessor technology and the development of algorithms regulation of amplitude, phase and time-parameters of the audio signal. It has been established that regulation channelized causes certain difficulties in phase control part wide band audio signal and its amplitude without loss of dynamic range, and at a speed close to the speed regulation sequence of audio objects in the signal frame. To overcome these hard STI allows a comprehensive view of the alarm and its regulation on analytical envelope. It is shown that the formation of reduced error signal to orthogonal I0-5 allows use Nuttall window function with minimal side lobes. An algorithm for inertia-free regulation, envelope, phase, time delay multiple subband signals. The main stages of the algorithm are: analog-to-digital signal conversion; pre-buffering signal to determine the peak value, average value, peak factor - for generating a control signal; the imposition of a window function and FFT transform on the division subband signals; creation orthogonal conjugate input signal at Gilbert; overlay window function HEPA-uniformity compensating gain; the formation of the envelope and instantaneous phase of the signal-term; division of the envelope on the low - and high - frequency envelopes; regulation LF - signal envelope and the envelope proportional change HF; total restoration of the envelope; recovery of the adjusted envelope signal by multiplying by the cosine of the instantaneous phase; the introduction of a fixed time delay and mixing subband Signa-fishing; the introduction of spatial de-emphasis; introduction of time-delay is determined by placing simulated systems of representation for phase correction and limiting peak undistorted limited to digital to analog conversion. It was found that the use of a few tens of emitters for Playback treated in accordance with the algorithm signals allows you to simulate the acoustic environment in the reference room.
Keywords: аrtificial acoustic environment unsuitable in volume Distortion adjustment parameters, a comprehensive pre-signal representation, analytical envelope and instantaneous phase BPE-recurrent delays orthogonal signal window function Nuttall, freewheeling control algorithm.
References
1. Kovalgin Yu.A, Vologdin E.I. Audio Textbook for high schools. Moscow. Hotline - Telecom, 2013. 742 p. (in Russian)
2. Aldoshina I.A., Pritts R. Musical acoustics. SPb. Composer - St. Petersburg, 2006. 720 p, pp. 451-557. (in Russian)
3. Recommendations for the design of concert halls. Moskomarhitecture 2004. (in Russian)
4. Baranov F. Magazine "Master Show" (52). 2008. (in Russian)
5. Popov O.B., Richter S.G. Digital signal processing paths ulcer-kovogo broadcasting. Moscow. Hot Line Telecom. 2012. (in Russian)
6. Popov O.B., Richter S.G. Patent RF No. 2408976 "Method of Auto-control ray peak mono broadcast signals to a predetermined level at a relative stabilization of the media, her power and device for its realization", publ. BuI. No.I. 10.01.2010. (in Russian)
